课程设计---三轴车转向设计

目录

前言 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 一 《机械原理》课程设计任务书 ---------------------------------- 1 二 阿克曼原理及其应用 ------------------------------------------- 3

2.1 阿克曼理论转向特性 ------------------------------------------ 3 2.2 阿克曼梯形 -------------------------------------------------- 4

三 给定设计数据及设计分析 -------------------------------------- 5

3.1 给定数据及计算 ---------------------------------------------- 5 3.2给定数据的阿克曼原理值 --------------------------------------- 5 3.3 目标函数 ---------------------------------------------------- 7 3.3设计数据分析 ------------------------------------------------- 7

四 四杆转向机构设计及误差分析 ---------------------------------- 8

4.1 轴Ⅰ四杆机构的设计及误差分析 -------------------------------- 8 4.2 轴Ⅱ四杆机构的设计及误差分析 ------------------------------- 12

五 运用Creo 建模软件进行分析验证 ----------------------------- 16

5.1 验证转向机构误差 ------------------------------------------- 16 5.2 运用Creo 作图计算出对应的连杆长d --------------------------- 18 5.3 最优佳设计参数和尺寸 --------------------------------------- 19

六 设计总结 ---------------------------------------------------- 20 参考文献 --------------------------------------------------------- 21 附录一 轴Ⅰ四杆机构设计数据分析表（Excel 数据表）--------- 22 附录二 轴Ⅱ四杆机构设计数据分析表（Excel 数据表）--------- 37

前言

机械原理课程设计的主要目的是为学生在完成课堂教学基本内容后提供一个较完整的从事机械设计初步实践的机会，此次课程设计，老师给我们的题目为汽车（三轴车）转向机构设计，机械原理课程设计重在培养学生的“初步具有确定机构运动方案、分析和设计机械能力”。通过机械传动方案总体设计，机构分析和综合，进一步巩固掌握课堂教学知识，并结合实际得到工程设计方面的初步训练，培养学生综合运用技术资料，提高绘图、运算的能力。同时，注重学生创新意识的开发。

汽车转向机构的设计一直是汽车优化设计的一个点，汽车转向系统中转向梯形的设计参数的是否合理直接影响到汽车的很多性能，参数的合理，要考虑的方面很多，比如转弯时车架内部空间的限制，最小转弯半径的限制，和阿克曼原理转弯误差最小化。

课程设计对于学生来说，可以学到初步的设计思路，初步认识设计的步骤和提高自身设计的综合素质。机械原理课程设计要求学生具有良好的机械原理知识，熟悉机构的一些传动和计算。

本课程设计采用了传统的计算方法，通过对汽车转向梯形的腰长m 和梯形底角θ的计算，通过Excel 计算出的实际转角和阿克曼原理计算的理论转角进行比较，得到了误差小，比较合理的梯形机构。同时采用Creo 1.0（Pro/E的升级版）进行模拟。

关键词：阿克曼原理 转向梯形 最小误差

一 《机械原理》课程设计任务书

二 阿克曼原理及其应用

阿克曼原理的基本观点是：汽车在行驶（直线行驶和转弯行驶）过程中，每个车轮的运动轨迹，都必须完全符合它的自然运动轨迹，从而保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移现象。 2.1 阿克曼理论转向特性

以图一所示的三轴车为例，阿克曼理论转向特性是以汽车前两轮定位角等于零、行走系统为刚性为假设条件的。

该转向特性的特点为：①汽车直线行驶时，6个轮的轴线都是互相平行，而且垂直于汽车的纵向中心面；②汽车在转向行驶过程中，全部车轮都必须绕一个瞬时中心点做圆周滚动，而且轴Ⅰ和轴Ⅱ外轮和内轮的转角应分别满足下面关系式：

此外，不考虑转角梯形，只考虑转角传递，轴Ⅰ和轴Ⅱ外轮有如下关系：

最小转弯半径：

2.2 阿克曼梯形

阿克曼梯形即为满足阿克曼理论转向特性的四连杆机构，其底角θ有下式确定

其梯形臂的作用长度m=（0.11～0.15）B

但在实际情况下，转向梯形仅能近似满足阿克曼原理，根据上述角度关系，运用余弦定理可以推算出实际内转角β＇：

其中，

α——为外轮转角 B ――四杆梯形底边 M ——为梯形作用臂长 θ——为梯形底角

三 给定设计数据及设计分析

3.1 给定数据及计算

取阿克曼梯形底边B=K-2d=1950-2x125=1700mm 由阿克曼原理计算得：

轴Ⅰ外轮最大转角α1max=arcsin

=63.5°

轴Ⅱ外轮最大转角α2max=arccot

轴Ⅰ轴Ⅱ和进行设计的梯形机构的常规约束条件是：

=54°

⎧187≤m ≤255⎪ ⎨80. 37≤θ1≤90 ⎪76. 85 ≤θ2≤90 ⎩

计算中我选取的约束条件是：

⎧190≤m ≤280⎪ ⎨80≤θ1≤90⎪78 ≤θ2≤90 ⎩

3.2给定数据的阿克曼原理值

3.3 目标函数

为了减小车轮侧滑，延长轮胎使用寿命，转向机构应使两前轮转角在整个转向过程中尽可能精确的满足阿克曼原理中α与β的关系，即转向梯形结构设计的实质是使转向梯形实际内侧转角β'和理想内侧转角β尽可能的一致。本文在设计和优化时的目标函数就是f 在0～30°度变化范围内，最大的理论外转角与实际外轮转向角的偏差β-β'最小化，即 min f =

0 ≤α≤30

max

β-β') (1)

又由于这个偏差在最常用的中间位置附近小转角范围内应尽量小，而在不常用的最大转角附近时则可以适当放宽要求。因此，引入一个加权因子ω(α)，构成的目标函数f (x )为：

f (x )=ω(α)∑β-β' (2)

α=0αm ax

)

3.3设计数据分析

计算的原理就是运用Excel 软件编辑出公式，得出目标函数的值，然后比较得出相对的最优值，取得最优值时的梯形底角和梯形臂长即为所设计的最终设计结果。

经过数据分析得到：轴Ⅰ和轴Ⅱ四杆机构在m 取不同值下符合要求的最小底角θ1和θ2：

故在设计范围内，四杆机构梯形底角应该大于等于在各m 取值下的最小梯形底角。

四 四杆转向机构设计及误差分析

4.1 轴Ⅰ四杆机构的设计及误差分析

在所做的Excel 中，两主销中心距B=1700，轴距L=L1+L2=7160，θ1在变化范围内变化，外轮转角从从1°变化到30°，然后计算理论内转角和实际内转角，进而求的目标函数值。最后对目标函数值求和，进而得到表一。 表一：轴Ⅰ中m1=190mm, θ1=86.39°时：

根据以上的Excel 更换不同的梯形底角和梯形臂长，就可以得到一系列的目标函数值。下面分析各底角θ1，臂长m1取值下的目标函数值：

由上表中计算的目标函数值得到：

给定一个m1，随着四杆机构梯形底角θ1的渐渐变大，目标函数值逐渐变大，即误差越来越大。

给定一个四杆机构梯形底角θ1，随着四杆机构腰长m1的逐渐变大，目标函数值逐渐减小，即误差减小。

轴Ⅰ：m1与θ1的关系

根据误差分析比较得到轴Ⅰ四杆机构m1=190mm, θ1=86.39°时误差最小。

4.2 轴Ⅱ四杆机构的设计及误差分析

对于轴Ⅱ在所做的Excel 中，两主销中心距B=1700，轴距L= L2=5200，θ2在变化范围内变化，伴随着外轮转角α1从1°变化到30°轴Ⅱ外轮转角α2从0.72629183转到22.7485315，然后计算理论内转角和实际内转角，进而求的目标函数值。最后对目标函数值求和，进而得到表二。

表二：轴Ⅱm2=190mm, θ2=82.97°时：

伴随着外轮转角α1从1°变化到30°轴Ⅱ外轮转角α2从0.72629183转到22.7485315，下面分析轴梯形底角θ2，m2取值下的目标函数值：

由上表可得：

给定一个m2，随着四杆机构梯形底角θ2的渐渐变大，目标函数值逐渐变大，即误差越来越大。

给定一个四杆机构梯形底角θ2，随着四杆机构腰长m 的逐渐变大，目标函数值逐渐减小，即误差减小。

轴Ⅱ：m2与θ2的关系

根据误差分析比较得到轴Ⅱ四杆机构m2=190mm, θ2=82.97°时误差最小。

五 运用Creo 建模软件进行分析验证

Creo 是美国PTC 公司推出CAD 设计软件包。Creo 是整合了PTC 公司的三个软件Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate 的直接建模技术和ProductView 的三维可视化技术的新型CAD 设计软件包，此软件拥有强大的自适应功能。本次验证依据Creo 的自适应功能做出相应的角度变化，得到相应的误差验证。 5.1 验证转向机构误差

取m1=190，θ1=86.39°；m2=190，θ2=82.97°运用Creo 对四杆机构进行误差分析验证得到：

（1）当外轮转角α1=10°时，圆心处距离为

1032mm

（2）当外轮转角α1=20°时，圆心处距离为

1095mm

（3）当外轮转角α1=30°时，圆心处距离为

1125mm

根据Creo 分析验证，和前边的Excel 数据分析误差得到的结果相同。此杆符合设计范围内最小误差要求，同时符合在小转角时误差小的实际应用条件。

5.2 运用Creo 作图计算出对应的连杆长d 轴Ⅰ：

腰长m1=190，梯形底角θ1=86.39°，梯形连杆d1=1476.0734 轴Ⅱ

腰长m2=190，梯形底角θ2=82.97°，梯形连杆d2=1453.4922

5.3 最优佳设计参数和尺寸

综上所述：现选择出最佳设计参数和尺寸为：

六 设计总结

本次课程设计是我进入大学以来第一次对自己所学知识的综合思考去完成的一门课程设计。对设计要考虑的问题，使我感觉到设计者的素质之高。

首先，通过这次课程设计，让我学会了，无论什么事，不仅要敢于想，而且要善于动手去做。本次课程设计刚开始的时候感觉无从下手，通过老师的讲解，在查了一些资料后渐渐的开始有了思路。此次课程设计，进一步巩固了课本上所学的基本理论和基本知识，培养了自己分析问题和解决问题的能力。学习到了汽车转向机构的分类与具体设计准则，懂得了设计一个机械产品时的具体设计步骤，学会如何写设计说明书，除此之外，在课程中也锻炼了自己的综合能力。但此次课程设计也暴露了自己在学习中的一些不足，基础知识不牢固，对所学的四杆机构图解法存在一定的生疏。

其次，在此次课程设计中，使我了解到了合作的重要性，同学们互相讨论，团结合作，一同探讨不懂的问题，互相学习，共同奋进，最终各自完成自己的课程设计，这是我在本次课程设计中最好的收获。同时，在机械原理课程设计的过程中我同时也巩固了一些设计软件的使用，比如Creo(Pro/E的升级版) 和Excel 等软件。

此外，感觉到这样的课程设计对我们来说课本知识的实践，希望以后有更多的机会去参与这样的课程设计，使自己的设计能力和动手能力得到进一步提升。

最后，衷心感谢孟逵老师的悉心教导和鼓励，只要有问题，孟老师都会耐心的讲解，感谢孟老师带领我们进入机械课程设计的美妙世界。在孟老师的耐心指导下，我们才能完成了此次汽车（三轴车）转向机构设计，并从中学到了更多的知识。

结束了本次课程设计的学习，我体会到机械设计是一个很严谨的过程，设计者要对自己所设计的机构负责，机构中每一个尺寸数据的得出都应是有理有据的，在保证机构能完成所规定的运动的同时，更应使所设计的机构安全可靠，这是每一个设计者的责任。

参考文献

[1] 罗洪田. 机械原理课程设计指导书. 北京:高等教育出版社.2011.12 [2] 姜明国、陆波. 阿克曼原理与矩形化转向梯形设计. 长春汽车研究所. 1944 [3] 何满才. Pro/ENGNEER Wildfire 3.0三维造型设计. 北京:人民邮电出版社 [4] 谢进、万朝燕、杜立杰. 机械原理（第二版）. 北京:高等教育出版社，2002 [5] 王望予. 汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004. [7] 康展权. 汽车工程手册[M].北京：人民交通出版社，2000. [8] 余志生. 汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.

附录一 轴Ⅰ四杆机构设计数据分析表（Excel 数据表）

m1=190, θ1=86.6°时，该Excel 所显示数据

附录二 轴Ⅱ四杆机构设计数据分析表（Excel 数据表）

m2=190 ，θ2=84°时，该Excel 所显示数据

m2=190，θ2=86°时，该Excel 所显示数据